TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 75 7 8  ~ 758 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.66 59          7578     Re cei v ed  Jul y  21, 201 4; Revi sed Septe m ber  10, 201 4; Acce pted  Octob e r 1, 20 14   Study on T e mperature Rise of Dry-T y pe T r ansformer  in Different Cooling Conditions with FEM      Liu Chao* 1 , Ruan Jia ngjun 1 , Li Ling y a n 1 , Wang Shansh an 2   1 School of Elec trical Eng i ne eri ng, W uhan U n i v ersit y , W u h a n ,  China   2 State Grid Electric Po w e r Re search Institue,  W uhan, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : lcnha lcnh a@ 163.com       A b st r a ct   T o  study the te mp eratur e rise  of  dry-type tran sformer  in  diffe rent coo lin g co nditi ons, finit e   ele m en t   meth od is  use d  in this  pap er  to calcul ate te mp eratur e  distr i buti on i n  the transfor m er. Firstly, therm a l-fluid  coup led  mode l  of a transfomer is bui lt up ， and the  equ iva l ent he at gen er ation  of this  mode l is figur ed  out   accord ing t o  the res u lts of d e livery t e st. T hen, ther ma l-flui d  cou p le d mo del is  si mu late d  in both natu r a l   cooli ng co nd iti on an d forced  cooli ng co ndit i on, an d  te mp erature d i strib u tions i n  the i r on an d w i ndi ng s   und er thes e tw o con d iti ons  ar e obt ain ed. F i n a lly, te mp eratu r e rises  in t hes e tw o con d itio n s  are c o mpar e d   to figure out th e influ enc e of cooli ng co nd it io n on transfor m er temperatur e  rise.           Ke y w ords : transformer, cool i ng, ther mal-fl ui d coup le d method, te mper atu r e rise, finite el ement       Copy right  ©  201 4 In stitu t e  o f  Ad van ced  En g i n eerin g an d  Scien ce. All righ ts reser ved .       1. Introduc tion  Powe r tran sforme rs h a ve been  widely applie d  in tra n smi ssi on an d distrib u tion  system,   esp e ci ally the  low-voltage   distrib u tion t r ansfo rme r , pl ays a  majoy   part in  the  da ily power  su p p ly  for resi dent s [1]. Posse ssing such ad vantage s  as  fireproofing, explosi on-pro o fing and be ing  environ menta lly green, d r y-type tran sforme rs  hav e  played a n  i n crea singly i m porta nt rol e  in  power  systems.  Nevertheless, the power loss  of  transformer in o peration will  cause  the  temperature ri se. If the temp erature  ri ses over the insulation limit,  it will  speed  up the agei ng  of insulating  material a nd  sho r ten  the transfo rme r ’s  workin g life,  or even Lea d  to   seri ou s ac cid ent s.   An air  co olin g sy stem  can  stre ngthe n t he inte rnal  ventilation of t r an sform e r to  co ol the  trans former,   but  the cooli ng effect  is  la cki ng of qu a n ti tative  analysis [5]. It’s of great value  to  study the temperatu r e ri se  of transfo rme r  based on  two different co oling conditio n s a s  natural ai r  cooli ng  and  forced  air cool ing. In thi s  p a per t he finite   element  sim u lation meth od  of the r mal - fluid   cou p led field  is use d  to calcul ate tran sformer  tem p e r ature ri se in  different co o ling co ndition s,   thus q uantit atively analyzing th e inf l uen ce of   cooling  co ndi tions o n  th e tran sform e r’s   temperature rise.       2. Calculatio n Principle   2.1. Mass Co nserv a tion Equation   Mass co nservation equati on is one of the basi c  eq uation s  whi c h must be sa tisfied by  any fluid flowing problem s.  The  ma ss conservation e quation with  ve ctor  symbo l  can b e  writt e n   as  the following form:      () 0 u t                                 (1)    Whe r e  ρ  is  the dens i ty (k g/ m3); t is  the time (s );u re prese n ts the ve ctor  sum of velocity  comp one nts i n  the x, y, z directio n divide d by u 、、 vw .          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Te m perature  Ri se of Dry-T y p e  Tran sfo r m e r in Differe nt Cooli ng… (Li u  Cha o )  7579 2.2. Momentum Conse r v a tion Equa tion  In the sol u tio n   of fluid flowing  in tran sfo r mer, visco s ity coeffici ent  can be  co nsi d ered  a s   a con s tant, n o t varying with coo r din a te positio n.  It c an be written in vec t or form as  follows :     2 () () 3 uu Fp u u u t            ( 2 )     Where F is  mass  forc e (N) ；； P is  pres sure(N) u  is  visc os ity c oeffic i ent.    2.3. Turbule n ce k- ε  Ma th ematical Mo del  Applying the  most wi dely  use d   stan dard k-  ε  two  eq uation mo de,  the gene ral  governi ng  equatio n is  gi ven by the fo llowing  in the  ca se that  th e fluid is i n co mpre ssible  a nd in a  stea dy  flowing state:    () () ( ) div V div g rad S t             ( 3 )     Whe r e  φ  is universal variable,  Г  is diffusion co efficient , S is source i t em.       3. Transform e r Hea t -flo w   Coupling Mo del  The  dry type  tran sformer  i s  a  three-ph ase  pl ana r transfo rme r ,  with high  volta ge  side   usin g flat cop per imp r eg na ted windin g  a nd low vo ltag e side u s ing  the copp er fo il winding. It’s       cap a city is  4 920 kVA, the rated voltag e  of HV  si de i s  66 00V, the  rated voltag e of LV si de  is  1540V, the in sulatio n  temp eratu r e ri se le vel is H.  In the case o f   the  three-p h a se d r y type transfo rme r , it’s high an d low voltage  coil have  rathe r  com p l e x windin g  a s  well a s  large numb e rs  of turns. It will need too m u ch  comp utation  that using 3 D  solid mo deli ng  to cal c ulat e fluid-the r m a l cou p led fie l d. The coil’ s  power lo ss  a n d   iron lo ss di stribution of e a c h p h a s e i s   almost th e same, a s  well  as the th re e-pha se ventila tion   circuit. Additionally, therm a l radiatio n betwe en pha se s ca n be largely ign o re d due to sm all   temperature   differen c e. T herefo r e, ju st  one of  th e three  pha se s  is supp osed  to be an alyzed.  Since th e  structure of  one  pha se  is axi s ymmetri c , it s fluid - the r ma l field  can  be  analy z ed  wit h  a  two-di men s io nal axisymme tric mod e l.  As sho w n in   Figure 1, the   transfo rme r   model i s  e s ta blish ed  on  ba sis of its  actu al  size, of  whi c h th e u p per  bou nda ry  is  2.25 tim e s the  hei ght  of the t r an sformer bo dy, and  the  rig h t  boun dary is  2 . 43 times the  radiu s  of the  transfo rm e r  b ody. Therefo r e the cal c ulat ion re sults  ca n   rea c h  the req u irem ents of  accuracy.  Th e  two-di me n s ional tra n sfo r mer mo del fo r calcul ation i s   s h ow n  in  F i gu r e  1 .   The ov erall mo del is sho w n in Fig u re 2.          Figure 1. Two - dime nsi onal  Fluid-th erm a l Field Mod e l o f  Transfo rme r       The tra n sfo r mer m odel i s   mainly co mprised  of iron  core, hig h  voltage  windi ng (modele d       per  turn), lo w voltage win d i ng (mo dele d   per  turn,  the uppe r in clud e s  51 tu rn s,  the lowe r  in clud es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  75 78 – 758 4   7580 30 turns), an  insul a ting  cy linder bet wee n  high  an d l o w voltag e  winding  a nd  en d insulation   o f   high-volta ge  windi ng. A s  f o r th e  inlet  an d  outlet  boun dary i n  Fig u re 2,   th e right and upp er  ou tlet  all load the  b ound ary  co nd ition of pre ssure  = 0, the  lowe r en d lo ads th e valu e of the  inlet  air   velocity (Wh en the t r an sf orme r tem p e r ature di strib u tion is calculated u nde r natural  cool ing  condition, the lower inl e t ai r veloc i ty is  set to 0).          Figure 2. The  Model’s L o a d ing State of Outer Bou n d a ry      Thro ugh the  prod uct facto r y report an d para m et ers o f  the transformer itself, the  powe r   loss of the co re and  coil ca n be cal c ul ated. The re sult s are  sho w n i n  Table 1.       Table 1. The  Powe r Lo ss o f  Transfo rme r  Core a nd coi l (75 Ԩ )  Loss Classif i cati on  P1 （ W ）   high-voltage coil  8874.33346   The uppe r lo w - v o ltage coil  4210.53113   The lo w e r lo w-vo ltage coil  5154.99467   core 4058.3772             4. Simulation under Different  Coolin g Condition s   4.1. Natural Air Cooling  In co nsi d e r at ion of  the  h eat  prod uctivi ty and  bou nd ary  loadin g   condition s  me ntioned   above, the  inlet  air velocit y  is set to  0. Then  fluid-therm a l co u p led field in natural co ol ing  con d ition s   ca n be  sim u lat ed.   Tran sformer te mpe r a t ure di stri buti on of  ea ch  part i s   sho w n in  Figure 3.  Seen from th e cal c ul ation  results, in n a t ural  ai r cooli ng conditio n , the hot spot  of dry- type tran sformer i s  lo cate d at the  upp er  pa rt  of lo w-voltage  coil,  ca used by t he po or co oli ng  effect of  the  inne r lo w-v o ltage  wi ndin g s. Th e hot -spot tem perature i s  1 6 6 . 821 Ԩ ,while the   temperature rise  is 121.8 2 1 Ԩ ; For tran sform e r  co re s, the maxim u m tempe r at ure i s  117.8 2 8 Ԩ ,  locate d at the  uppe r  part of  core, and th e tempe r ature rise re ache s 72.8 2 8 Ԩ ; F o r the lo we r  part  of low-voltag e windi ng s, the maximum  temperatu r e  is 107.82 7 Ԩ , located at the upp er  pa rt  of  middle win d i ngs; The   ma ximum  temp e r atur e of  high -voltage  wi ndi ngs is 14 2.9 3 5 Ԩ , loc a ted at   the top of high-voltage  win d ing s .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Te m perature  Ri se of Dry-T y p e  Tran sfo r m e r in Differe nt Cooli ng… (Li u  Cha o )  7581     Figure 3. Tra n sformer T e mperatur e  Di stributio n of each Pa rt in Natural Coolin g Con d ition s             (a) High -volta ge  win d ing s     (b) T he lower low-voltag e windi ng s      (c) The u ppe r low-voltag e windi ng s    Figure 4. Tra n sformer T e mperat ure of  each Part at Variou s Heig ht in Natural  Cooli ng  Conditions      In ord e r to   analyze tem peratu r e  at  different h e ig ht of the  wi nding  and  core, the  observation   points a r e  re spe c tively se t at differe nt po sition s. Curves  of  tem peratu r e  varyi ng  with heig h t  o f   these p a rts are sh own  i n   Figu re  4. It appea rs  that tempe r a t ure in th e  low- Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  75 78 – 758 4   7582 voltage  win d ings a nd  co res  cha nge s more  smo o thly, contra stly there i s  a p r ocess of   temperature  drop  in the  m i ddle of  hig h -voltage  wi ndi ngs. T h is is  becau se  at th e  positio n  wh ere   the wi dth of  a i r ga p b e twe e n   turns  i s  la rg er,  conve c tive he at tran sf er effe ct i s  be tter,  which le ads  to the temperature falling.     4.2. Natural Air Cooling  Since th e  tra n sformer coo ling fan  give s the  ventilation per ho ur fro m   thre e-p h a s e  fan,  whi c h is 4 200 m 3, it’s necessary to be  co nverted into the inlet air ve locity.    Sv t M                                                         (4)    22 21 () Sr r                                                                                                       (5)    Whe r e  S  stan ds for the inle t section a l area （ m 2 ） ,  v  re pre s ent s the inlet air velocit y （ m/s ） ,  t  is  the time （ s ） ,  M  indicate s the ventilation  per hou r （ m 3 ） ,  r 2 、 r 1  respe c tively represent the outer  and inn e r dia m eter of the inlet air ci rcu m ferential.   By the above formula s , the inlet air veloci ty can be obt ained a s  bel o w :    22 21 1.224 / () M vm s rr t                                      (6)    Con s id erin g t he a c tual  efficien cy of the   inle t  air velo ci ty can’t rea c h  100%, the  effective   air velocity sh ould be 8 0 %, in this ca se, 0 . 98 m/s .        Figure 5. Tra n sformer T e mperat ure  Di stributio n of each Pa rt in Forced Coolin g Con d ition s       Seen from the calculation  results, in forced ai r cooli n g conditio n , the cooli ng effect of the   inner lo w-voltage  wi nding s  is improved.   Ho wever, for  the rea s on th at the end insulation of hig h - voltage  win d ing  blo c ks th e ventilation  at the top  of the coil,  the hot  spot  is lo cated  at the   uppe r  pa rt of  high -voltage  coil. T he  ho t-spot  tempe r ature i s   140. 866 Ԩ , while  the  tempe r at ure  rise i s  95.8 6 6 Ԩ ; For tra n s form er  core s, the maxim u m tempe r at ure i s  90.06 1 Ԩ , located at  th e   uppe r  pa rt of  co re,  and  t he. temp erat ure  ri se  re aches 45.0 6 1 Ԩ ; For the l o wer p a rt  of l o w- voltage win d i ngs, the maxi mum tempe r ature i s  82.0 3 1 Ԩ , located  at the uppe r  part of win d in gs;  The maxim u m tempe r ature of the  upp er p a rt of l o w-voltag e  wi nding s i s  1 1 6 . 459 Ԩ , lo cat ed at  the top of win d ing s .    The comp ari s on  betwee n  tran sform e r hot-sp o t tempe r ature  rise i n  two  cooli ng  con d ition s  is  sho w n in T a b l e 2. Re sults  indicate  that adoptin g the force d  air  co oling metho d   for  transfo rme r  p a rts expe ct for high -voltage  windin g  can  redu ce the te mperature  rise by about 40 %  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Te m perature  Ri se of Dry-T y p e  Tran sfo r m e r in Differe nt Cooli ng… (Li u  Cha o )  7583 effectively. T o  further re du ce the hot sp ot tem peratu r e rise of high -vol tage windi ng, the stru cture   of end insulat i on sh ould b e  improved.       Table 2. Co m pari s on b e tween Tran sformer Hot- spot Tempe r atu r e Rise  in  Two Cooli ng  Conditions  original ventilatio n  structure   Natural cooling  temperatu r e rise （℃ ）   Forced cooling   temperatu r e rise （℃ ）   rate of    temperatu r e rise  change  （ % ）   core 72.828   45.061   38  The uppe r lo w - v o ltage coil  121.821   71.459   41  The lo w e r lo w-vo ltage coil  62.847   37.031   41  low - voltage coil  97.935   95.866   2      5. Conclusio n   This  pape r  mainly focu ses o n  si mul a tion of the r mal-fluid  co u p led field i n  different  cooli ng condi tions an d an alysis of the  temperat ure  rise, by build ing the mode l of a dry type  trans former. Finally s o me c o nc lu sio n s  can be mad e  a s  follows:   1. In natu r al   air  cooli ng  co ndition, the  o v era ll h o t  sp ot of tra n sfo r mer i s  l o cate d at the  uppe r pa rt of low-volta ge winding. The m a ximum temp eratu r e ri se reache s 121.8 2 1 Ԩ .  2.  In  forced  air cooli ng condition,  th e overa ll  hot  spot of tra n sfo r mer is lo cat ed at th e   uppe r pa rt of  high-volta g e  windi ng  clo s e to the  en d  insul a tion. Th e maximum t e mpe r ature ri se  rea c he s 95.8 6 6 Ԩ .  3. Usin g the  force d  air  co oling metho d  for par t s  of tran sform e r e x pect for hig h -voltage   windi ng, ca n redu ce the te mperature  rise by about 40 %, with an ideal effect.       Referen ces   [1]  F  Marign etti et  al. Des i g n  of  a x i a l fl u x  PM s y nchro nous  ma chin es thro ug h  3-d c o u p le d  el ectromag neti c   thermal a nd flu i d-d y n a mic a l fi nite-e leme nt anal ysis.  IEEE Trans. Ind. Electron.,  2008; 5 5 : 359 1– 360 1.  [2]  SL H o  et  al. A  3-D stu d y   of  edd y  curre nt fi eld  an d tem p e r ature ris e s i n   a com pact b u s  duct s y stem.   IEEE Trans. Magn.,  20 06; 42:  987– 99 0.  [3]  SL Ho et al. C a lcul atio ns of e d d y  curre nt, fluid,  and th ermal  fields i n  an a i r  insul a ted b u s  duct s y stem .   IEEE Trans. Magn.,  20 07; 43: 143 3– 143 6.  [4]  YJ Z hang, JJ Rua n , et al. Ca lculati on of T e mper atur e Ris e in Air-co o le d  Inductio n  Moto rs  T h rough  3-D   Cou p le d El ectromag netic F l ui d-D y n a mica l  a nd T hermal F i nite-El e ment A nal ysis.  IEEE Trans.,  Magn. ,   201 2; 48: 104 7 - 105 0.  [5]  HM Ahn, BJ Lee, SC Ha h n .  An efficient  investig ation  of c ouple d  e l ectro m a gnetic -thermal-flu i d   nu meric a l  mo d e l for temperat ure rise pr edict ion of pow er transfor m er.  ICE M S. 2011; 1-4.   [6]  J Smoka, AJ  No w a k. E x p e riment al v a li datio n of  the  cou p le d fl ui d flo w ,  he at  transfer  an d   electrom agn eti c  numer ical m ode l of the m e di um-p o w e r  dr y-t y pe  el ectric al transform er.  Internatio na l   Journ a l of T her ma l Scie nce . 2 008; 47; 1 393- 141 0.  [7]  BG Park,  T S   Kim, KJ Lee, RY Kim, DS  H y un.  Mag neti c -F ield An al ysi s  on W i ndin g  Dispos itio n o f   T r ansformer for Distri bute d   High-S p e e d  T r ain  Ap plic ation s . IEEE Trans . Magnetics . 2 010;  46( 6) :   176 6– 176 9.  [8]  D Li n, P Z h ou,  W N  F u , Z J  C end es. A  D y na mic Cor e    Los s Mod e l for  So ft F e rromagn etic a nd P o w e r   F e rrite Materia l s in T r ansient F i nite Elem ent Anal ys is.  IEEE Trans. Magn ., 200 4; 40: 131 8 - 132 1.  [9]  G Bertotti,  F   F i orill o, GP Soard o . Depe n denc e of Po w e r Losses on  Peak Magn e t ization a n d   Magn etizatio n  F r eque nc y  in Grain-or i ente d  an No n-ori ente d  3% SiF e .  IEEE Trans. Magnetics.  19 87 ;   23(5): 35 20- 35 22.   [10]  G Bertotti. Gener al Pr opert i es of P o w e r  Loss e s i n  S o ft F e rromag n e tic Materi als.   IEEE Trans.  Magn etics . 198 8; 24: 621- 630.   [11]  Z X  Z h u, et  al . Comp utat io n  of 3- D Ma gn etic L eaka g e   F i eld  an d Str a y L o sses  in   Larg e .  IEEE  T r ans.Magn.,  2 012; 48: 7 39-9 42.   [12]  JD Anders on, Comp utation a l  Fluid D y n a mic s .  T he Basics w i t h  App licati o ns, McGra w – H ill, Ne w  Y o rk.   199 5.  [13]  F r ank M W h ite. F l uid Mech ani cs. McGra w -Hi l l , Ne w  Y o rk, 20 07.   [14]  Lan J i an Y u .   F i nite El eme n t Anal ys is of  a Co ntactles s Po w e r T r an sformer  w i th  Metamateri al.  TELKOMNIKA.  2014; 1 2 : 678- 684.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  75 78 – 758 4   7584 [15]  Raje ndr a R A , Ved  VD.  D e sig n  a n d  Si mulati on  Lo w Volta g e  Sin g le-P hase  T r ansformer l es s   Photovo l taic In verter.  T E LKOMNIKA Indon e s ian J ourn a l  of Electrica l  Eng i neer ing . 201 4; 12(7):  5 1 6 3 - 517 3.  [16]  F an Ch un- qia o ,  Z hang Z h ong - y u an,  L i  W en- bo, et a l . Simu latio n  a nd A nal ysis  of T e mperature F i e l d   of Dr y  T y pe T r ansformer.  Shanxi Electric Power . 2012; 40 : 76-79.   [17]  W ang W en, G u  Ch ang  Ch en  Ru-qi ng. Ap pl i c ati on of  Num e rical Simu lati on  Meth ods of  T e mperature   F i eld to He at Desig n  of Dr y - T y pe Po w e r T r ansformer.  T r ansformer . 199 7; 12: 18-21.             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.